一種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能同時測量大氣中由三相態(tài)水產(chǎn)生的Raman譜和由氣溶膠粒子產(chǎn)生的熒光譜的激光雷達系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]水是大氣中的一種重要物質(zhì)。水汽及由液態(tài)/固態(tài)水組成的云在大氣中的存在與變化，都會直接影響大氣輻射收支。精確掌握大氣水的含量、分布及相態(tài)等信息在大氣研究領域是非常必要的。實現(xiàn)大氣水的高精度探測需要付出極大的技術努力;水Raman激光雷達利用水的振轉(zhuǎn)Raman譜測量大氣水，具有高時空分辨率的優(yōu)勢。水汽Raman激光雷達主要通過接收水汽振轉(zhuǎn)Raman譜Q支信號獲取水汽剖面，在晴朗天氣條件下常會獲得可靠數(shù)據(jù)，但在有云存在時則會出現(xiàn)相對濕度結果大于100%的情況。其根源在于，由云中液態(tài)或/固態(tài)水產(chǎn)生的Raman信號，在頻譜上與水汽Raman信號交疊進而對水汽信號產(chǎn)生“干擾”，導致測量結果錯誤。為此，有研究單位通過在水汽Raman激光雷達中增添一個檢測液/固態(tài)水Raman回波的測量通道，實現(xiàn)對水汽和液/固態(tài)水的同時監(jiān)測。但三相態(tài)水Raman譜在頻譜上的交疊是固有的，靠采用濾波器件提取有限帶寬內(nèi)水Raman信號的方法，不能直接排除各相水Raman信號相互串擾帶來的影響。同時，液水Raman譜與溫度相關，單憑有限帶寬內(nèi)液水Raman信號總強度也不能反映出云內(nèi)部微物理特性的變化。另一個潛在的干擾因素是氣溶膠熒光:在大氣中，包含有機物或源自生物質(zhì)的氣溶膠粒子，在紫外激光的輻射下會釋放譜寬極寬的熒光。氣溶膠熒光在頻譜上可完全覆蓋三相態(tài)水的Raman譜，進而進入雷達系統(tǒng)并對最終測量結果造成影響。利用有限帶寬濾波器件提取水Raman信號的激光雷達系統(tǒng)，都難以直接識別氣溶膠熒光是否存在，在氣溶膠熒光存在的情況下也不能剔除氣溶膠熒光的干擾。
[0003]綜合考慮以上因素，為實現(xiàn)在更多天氣條件下的針對大氣水的高精度探測，我們提出研制新型的水Raman激光雷達系統(tǒng):系統(tǒng)能同時獲取由三相態(tài)水產(chǎn)生的Raman譜信號，同時能直接判斷是否有氣溶膠熒光存在，并在熒光存在時能檢測熒光強度并消除熒光對水Raman譜信號的干擾。這要求雷達系統(tǒng)具有適當?shù)墓庾V范圍來同時記錄三相態(tài)的水Raman譜和熒光譜，并具有合適的譜分辨能力。另外，考慮到水在大氣中含量相對很少，Raman散射相對彈性散射而言效率很低，還要求系統(tǒng)能高效傳輸目標信號、對發(fā)射激光波長附近的彈性回波產(chǎn)生足夠程度的抑制，具備從極強的彈性信號中成功檢出極弱Raman信號的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提出了一種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對大氣中由三相態(tài)水產(chǎn)生的Raman譜和由氣溶膠粒子產(chǎn)生的熒光譜的同時探測。該系統(tǒng)由發(fā)射單元、光學接收與信號檢測單元和控制單元組成。發(fā)射單元采用種子注入的固體激光器輸出極窄線寬的354.Snm紫外激光并導向天頂;光學接收與信號檢測單元收集來自大氣物質(zhì)的后向散射光，對354.8nm附近光產(chǎn)生優(yōu)于15個數(shù)量級的抑制，并以0.8nm的譜精度分辨與記錄393.0-424.0nm譜帶范圍信號光;控制單元保障整個雷達系統(tǒng)有序工作。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術方案是:
[0006]—種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射單元、光學接收與信號檢測單元和控制單元組成。發(fā)射單元包括種子激光器、固體激光器、擴束鏡、發(fā)射臺。光學接收與信號檢測單元由望遠鏡、光闌、準直鏡、反射鏡、帶通濾光片1、分束鏡、干涉濾光片、匯聚鏡、探測器1、帶通濾光片2、耦合鏡和雙光柵光譜儀系統(tǒng)組成。雙光柵光譜儀系統(tǒng)由光纖、透鏡I和光柵1、透鏡2和光柵2、探測器2組成。雙光柵光譜儀系統(tǒng)實現(xiàn)對354.8nm附近光優(yōu)于6個數(shù)量級的抑制，高效傳輸并以0.8nm的譜精度記錄393.0-424.0nm譜帶范圍信號光?？刂茊卧捎嬎銠C組成，通過時序電路控制發(fā)射單元、光學接收與信號檢測單元，保障整個雷達系統(tǒng)有序工作。
[0007]種子激光器產(chǎn)生極窄線寬的1064nm紅外基頻光;基頻光由光纖導入固體激光器諧振腔內(nèi)，經(jīng)兩級放大后再由三倍頻晶體產(chǎn)生極窄線寬的354.8nm紫外激光輸出；紫外激光在水平方向上傳播，通過5倍擴束鏡擴束后照射發(fā)射臺；發(fā)射臺可電動精密控制，以高于99.5%的反射率將來射紫外激光導向天頂方向。
[0008]望遠鏡收集的大氣后向散射信號穿過光闌后由準直鏡變?yōu)槠叫泄猓?jīng)反射鏡導向水平方向后照射帶通濾光片I。透過帶通濾光片I的光被分束鏡分為兩路:分束鏡反射的10%信號光首先照射中心波長386.8nm、帶寬0.3nm的干涉濾光片，經(jīng)匯聚鏡后由探測器I記錄作為參考信號;分束鏡透射的90%信號首先照射帶通濾光片2，隨后由耦合鏡饋入雙光柵光譜儀系統(tǒng)。帶通濾光片I對354.Snm附近光產(chǎn)生優(yōu)于6個量級的抑制，并以高于94%的透過率傳輸387.0-447.0nm范圍光。帶通濾光片2對354.8nm、375.5nm和386.7nm附近光產(chǎn)生優(yōu)于3個量級的抑制，并以高于80 %的透過率傳輸393.0-424.0nm范圍光。
[0009]雙光柵光譜儀系統(tǒng)由光纖、透鏡I和光柵1、透鏡2和光柵2、探測器2組成。光纖提供方便靈活的接入方式，將來自耦合鏡的信號光傳導并饋入后續(xù)的光柵色散系統(tǒng)。透鏡I和光柵1、透鏡2和光柵2分別準Littrow結構布局，構成兩組級聯(lián)的光柵色散系統(tǒng);兩個光柵色散系統(tǒng)的焦面在同一鉛直面內(nèi)，光軸在同一水平面內(nèi)相互平行且間距53.69mm。雙光柵色散系統(tǒng)對354.8nm附近光產(chǎn)生優(yōu)于6個量級的抑制，同時高效傳輸并以1.0_ nm—1的線色散率在空間上色散393.0-424.0nm范圍光。探測器2以0.8nm的譜精度記錄色散后的393.0-424.0nm范圍信號光。
[0010]光纖芯徑0.6mm、數(shù)值孔徑0.12，出端口中心精準位于透鏡I的焦點上。透鏡I直徑10mm，焦距300mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424.0nm范圍光透過率大于99% ；光柵I為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr臟—1，閃耀波長41011111，閃耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射級次為一級。透鏡2直徑100mm，焦距400mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424.0nm范圍光透過率大于99%;光柵2為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr mm 1，閃耀波長410nm，閃耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射級次為三級。探測器2共包括32個線陣排列的探測通道，單個探測通道光敏面物理尺寸為0.SmmX 7.0mm，相鄰探測通道之間有0.2mm的死區(qū)間隔，通道間距1.0mm。探測器2光敏面準確定位在透鏡2焦面上，每個探測通道光敏面長7.0mm邊都平行于鉛直方向。
[0011]雙光柵色散系統(tǒng)光譜區(qū)為393.0-424.0nm范圍，線色散率1.0mm nm—S探測器2記錄393.0-424.0nm譜帶信號，譜精度0.8nm。在波長354.8nm激光輻射下，氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)水的振轉(zhuǎn)Raman譜區(qū)依次對應395-409nm、396-410nm和401-418nm范圍。雷達系統(tǒng)記錄的395-418nm范圍譜可用以識別三相態(tài)水產(chǎn)生的振轉(zhuǎn)Raman譜；393_394nm與419_424nm范圍譜可用以直接識別氣溶膠熒光譜，間接獲取395-418nm范圍熒光譜。據(jù)此，激光雷達系統(tǒng)實現(xiàn)對大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的同時測量。
[0012]如上所述的一種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)，帶通濾光片1、帶通濾光片2和雙光柵光譜儀系統(tǒng)組合產(chǎn)生對354.8nm附近光優(yōu)于15個量級的抑制。
[0013]如上所述的一種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)，雙光柵光譜儀系統(tǒng)采用準Littrow結構布局的兩組級聯(lián)的光柵色散系統(tǒng)實現(xiàn)對393.0-424.0nm范圍光的高效傳輸和以1.0_ nm—1的線色散率在焦面上色散開來。
[0014]如上所述的一種測量大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的激光雷達系統(tǒng)，采用包括32個探測通道的線陣探測器記錄393.0-424.0nm范圍譜信號，譜分辨率0.8nm，實現(xiàn)在354.8nm激光輻射時對大氣中三相態(tài)水Raman譜和氣溶膠熒光譜的同時測量。
[0015]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0016]為實現(xiàn)對大氣水Raman譜和氣溶膠熒光譜的同時探測，本發(fā)明的激光雷達系統(tǒng)具有適當?shù)墓庾V探測范圍和光譜分辨能力，并對354.Snm激光波長附近信號產(chǎn)生足夠程度的抑制。
[0017]激光雷達系統(tǒng)引入一個雙光柵光譜儀系統(tǒng)實現(xiàn)對393.0-424.0nm范圍信號光的分辨與記錄。雙光柵光譜儀系統(tǒng)采用光纖將傳導的信號以準“點光源”的形式饋入后續(xù)的色散系統(tǒng)。光纖芯徑0.6mm，數(shù)值孔徑0.12，出端口中心精準位于透鏡I的焦點上。色散系統(tǒng)由透鏡I和光柵1、透鏡2和光柵2組成。透鏡I直徑100mm，焦距300mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424.0nm范圍光透過率大于99 % ;光柵I為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr mm—1，閃耀波長410隨1，閃耀角度6.89°，工作角度9.27°，衍射級次為一級。透鏡2直徑10mm，焦距400mm，雙面鍍增透膜，對393.0-424.0nm范圍光透過率大于99 % ;光柵2為平面反射式閃耀光柵，刻線密度600gr mm—S閃耀波長410nm，閃耀角度21.10°，工作角度21.72°，衍射級次為三級。透鏡I和光柵1、透鏡2和光柵2分別準Littrow結構布局，構成兩組級聯(lián)的光柵色散系統(tǒng)；兩個光柵色散系統(tǒng)的焦面在同一鉛直面內(nèi)，光軸在同一水平面內(nèi)平行且間距53.69mm。雙光柵色散系統(tǒng)對354.8nm附近光產(chǎn)生優(yōu)于6個量級的抑制，同時高效傳輸并以1.0mm nnf1的線色散率在空間上色散393.0-424.0nm范圍光。探測器2檢測并記錄色散開來的393.0-424.0nm范圍信號光。探測器2共包括32個探測通道，單個探測通道光敏面物理尺寸為0.8mmX 7.0mm，相鄰探測通道之間有0.2mm的死區(qū)間隔，通道間距1.0_。探測器2光敏面準確定位在透鏡2焦面上，每個探測通道光敏面長7.0mm邊都平行于鉛直方向。雙光柵光譜儀系統(tǒng)通道光譜區(qū)范圍為393.0-424.0nm，線色散率1.0mm nm—1;探測器2各探測通道光敏面水平寬度0.8mm，單通道帶寬0.8nm，同時雷達系統(tǒng)對393.0-424.0nm內(nèi)譜信號具有0.8nm的光譜探測精度。在波長354.8nm紫外激光輻射下，氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)水產(chǎn)生的振轉(zhuǎn)Raman譜區(qū)依次對應395-409nm、396-410nm和401-418nm范圍。其中，3